Особливості проектування індукційних магнітометрів
Индукционные магнитометры (ИM) широко используются во многих отраслях науки и промышленности, в том числе в полевой геофизике. Частотный и динамический диапазоны ИМ, по всей вероятности, наиболее широкие из всех существующих магнитометров: они используются для измерения изменений магнитного поля в д...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геофизический журнал |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97100 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особливості проектування індукційних магнітометрів / В.О. Проненко, В.Є. Корепанов // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 127-133. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860204438348627968 |
|---|---|
| author | Проненко, В.О. Корепанов, В.Є. |
| author_facet | Проненко, В.О. Корепанов, В.Є. |
| citation_txt | Особливості проектування індукційних магнітометрів / В.О. Проненко, В.Є. Корепанов // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 127-133. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геофизический журнал |
| description | Индукционные магнитометры (ИM) широко используются во многих отраслях науки и промышленности, в том числе в полевой геофизике. Частотный и динамический диапазоны ИМ, по всей вероятности, наиболее широкие из всех существующих магнитометров: они используются для измерения изменений магнитного поля в диапазоне частот от ~10⁻⁴ до ~10⁶ Гц с индукцией от долей фемтотесла до десятков тесла. Это объясняет постоянный интерес к попыткам создания ИМ с наилучшими параметрами. Настоящая работа посвящена особенностям построения ИМ с оптимальным набором параметров.
Induction or search-coil magnetometers (IM) are widely used in many branches of science and industry, including field geophysics. The frequency range and dynamic range of IM are probably the widest of all existing magnetometers: they are used for the measurement of magnetic field variations in the frequency band from ~10⁻⁴ till ~10⁶ Hz with the intensities from fractions of femtotesla till tens of tesla. This explains the permanent interest to IM design and the attempts to construct the IMs with the best possible parameters. The IM with optimal parameters set design peculiarities are described.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:11:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ІНДУКЦІЙНИХ МАГНІТОМЕТРІВ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 127
Вступ. Індукційні магнітометри (IM) широко
використовують для експериментальних до-
сліджень природних і штучних магнітних полів
у діапазоні частот від ~10−4 до ~106 Гц і вище
з науковою і та технічною метою в наземних
й космічних умовах. Це, можливо, найпоши-
реніші пристрої для дослідження магнітного
поля. Зазвичай різні сфери застосування на-
кладають різні вимоги до головних параметрів
IM. Наприклад, польова геофізика потребує як-
найменший рівень магнітних шумів (РШ) IM, а
такі параметри, як довжина, маса й споживана
потужність, є вторинні. Космічні дослідження
до вимоги якнайменшого РШ додають вимогу
мінімізації маси й споживаної потужності. Де-
які спеціальні типи ІМ потребують дуже малих
розмірів і споживаної потужності поряд з як-
найменшим РШ. Це показує, що, незалежно від
інших вимог, якнайменший РШ залишається
найважливішою вимогою, і за інших близьких
параметрів його можна використовувати для
порівняння якості IM.
Незважаючи на те що ІМ застосовують,
імовірно, понад двох століть, інтерес до них
та їхніх конструктивних особливостей все ще
перебуває на досить високому рівні, про що
свідчить значна кількість публікацій за останні
роки.
Краща із знайдених західних робіт [Dehmel,
1989], присвячена проектуванню ІМ, приді-
УДК 621.317.421
Особливості проектування індукційних магнітометрів
© В. О. Проненко, В. Є. Корепанов, 2011
Львівський центр Інституту космічних досліджень НАН та НКА України, Львів, Україна
Надійшла 3 серпня 2010 р.
Представлено членом редколегії С. Н. Куліком
Индукционные магнитометры (ИM) широко используются во многих отраслях науки и
промышленности, в том числе в полевой геофизике. Частотный и динамический диапазоны
ИМ, по всей вероятности, наиболее широкие из всех существующих магнитометров: они ис-
пользуются для измерения изменений магнитного поля в диапазоне частот от ~10–4 до ~106 Гц
с индукцией от долей фемтотесла до десятков тесла. Это объясняет постоянный интерес к
попыткам создания ИМ с наилучшими параметрами. Настоящая работа посвящена особен-
ностям построения ИМ с оптимальным набором параметров.
Induction or search-coil magnetometers (IM) are widely used in many branches of science and
industry, including field geophysics. The frequency range and dynamic range of IM are probably the
widest of all existing magnetometers: they are used for the measurement of magnetic field variations
in the frequency band from ~10–4 till ~106 Hz with the intensities from fractions of femtotesla till tens
of tesla. This explains the permanent interest to IM design and the attempts to construct the IMs with
the best possible parameters. The IM with optimal parameters set design peculiarities are described.
ляє велику увагу дизайну датчика (котушка і
осердя) і дуже мало уваги звертає на основну
проблему в цій галузі — шумове узгодження
датчика й підсилювача, що є принциповим пи-
танням для отримання низького РШ ІМ [Ми-
зюк, 1964; Вакульский и др., 1985]. У пізніших
публікаціях [Ripka, 2001; Tumanski, 2007] цією
проблемою нехтують повністю або заміняють
«інтуїтивним» рішенням [Coillot et al., 2007]
чи дуже своєрідним розумінням оптимізації
[Paperno, Grosz, 2009]. Підкреслимо, що для
створення ІМ з мінімально можливим РШ тіль-
ки комплексний підхід до оптимізації системи
датчик—підсилювач, залежно від обраного
критерію — маса або довжина, — може дати
найліпший результат.
Принцип дії ІМ. Передавальну функцію IM
визначають за законом Фарадея:
du n
dt
,
де u — напруга, індукована в котушці з кількіс-
тю витків n; — магнітний потік.
Приймають, що потік змінюється сину-
соїдально і спрямований уздовж поздовжньої
осі осердя: max t), де ω — колова часто-
та. Тоді амплітудне значення вихідної напру-
ги котушки з осердям з високою проникністю
може бути подано в такий спосіб:
0 max 0 c e eU n nS H GH , (1)
В. О. ПРОНЕНКО, В. Є. КОРЕПАНОВ
128 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
де μ0 — магнітна проникність вакууму; μc —
відносна магнітна проникність осердя; S — по-
перечний переріз осердя; He — амплітудне зна-
чення зовнішньої вимірюваної напруженості
магнітного поля; G — чутливість IM.
Згідно з (1), в ідеальному випадку вихідний
сигнал котушки має залежати лінійно від часто-
ти (U0id на рис. 1). Проте через наявність пара-
зитної ємності C, яка формує з індуктивністю
котушки L коливальне коло з добротністю Q,
залежність U0=f або U0(f) складніша. Типова
амплітудно-частотна залежність котушки ін-
дуктивності подана на рис. 1 суцільною лінією.
Видно, що вираз (1) дійсний тільки для діапазо-
ну частот, нижчих від частоти резонансу.
ність характеристики досягають інтегруванням
сигналу котушки. В цьому випадку частотний
діапазон IM обмежений з боку високих частот
частотою резонансу, з боку низьких частот —
дрейфом нуля інтегратора.
2. У випадку використання датчика з під-
силювачем струму котушка навантажена на
інвертувальний вхід операційного підсилюва-
ча, тобто працює в режимі, близькому до ко-
роткого замикання. Частотна характеристика
буде лінійною до частоти ω1=R/L, після неї — не
залежною від частоти. Головні недоліки цієї
схеми: труднощі реалізації низької частоти пе-
регину й вищий поріг чутливості, ніж у схемі з
підсилювачем напруги.
3. Схема з від’ємним зворотним зв’язком
по магнітному полю дає змогу одержати ши-
рокосмугову частотну характеристику, низь-
кий поріг чутливості й головне — забезпечити
плоску амплітудно-частотну характеристику в
широкому діапазоні частот, навіть дуже низь-
ких. На практиці це рішення, певно, є найпо-
ширенішим.
Розглянемо особливості проектування ши-
рокосмугового IM з мінімально можливим РШ.
Вплив осердя і намотки на параметри IM.
З виразу (1) видно, що вихідний сигнал IM про-
порційний кількості витків n, площі попереч-
ного перерізу осердя S і відносній магнітній
проникності осердя μc. Можна припустити, що
для збільшення чутливості IM бажано зробити
кожен з цих множників якнайбільшим. Розгля-
немо спочатку вплив збільшення величини μc.
Першим кроком для досягнення високого
значення μc є використання м’якого магнітного
матеріалу з якнайбільшою відносною магніт-
ною проникністю μ. Однак через явище роз-
магнічування [Аркадьев, 1935] результуюча
магнітна проникність осердя μc буде меншою
від магнітної проникності матеріалу μ і зале-
жатиме від форми осердя. Вона може бути об-
числена за формулою [Мизюк, 1964]
( )1 1c N
. (2)
Тут N — коефіцієнт розмагнічування, залежить
від геометрії осердя і для триосьового еліпсоїда
обертання може бути обчислений за спроще-
ною формулою [Мизюк, 1964]
2
ln 2 1mN
m
, (3)
де m — відношення довжини осердя l до його
діаметра d.
IM можна використовувати у резонансному
режимі з передавальною функцією, що показа-
не суцільною лінією на рис. 1, для досліджень
магнітного поля, якщо вимірюваний частотний
діапазон є дуже вузьким, або в разі роботи у
часовій ділянці на частотах, нижчих від часто-
ти резонансу. Втім для вимірювання сигналів
з широкими складними спектрами необхідно
мати широкосмуговий магнітометр з лінійно-
плоскою частотною характеристикою (рис. 1,
пунктирна лінія). Таку характеристику можна
отримати декількома методами: 1) інтегруван-
ням вихідного сигналу; 2) використанням дат-
чика з підсилювачем струму; 3) використан-
ням датчика з від’ємним зворотним зв’язком
по магнітному полю.
Проектування ІМ кожним з цих методів має
свої особливості.
1. Як видно з виразу (1) і рис. 1, котушка ін-
дуктивності працює як диференційна ланка на
частотах, нижчих від частоти резонансу. Ліній-
Рис. 1. Суцільна лінія — амплітудно-частотна характе-
ристика вихідної напруги U0 в резонансному режимі (fres
— частота резонансу); штрихова лінія — ідеальна форма
цієї характеристики без урахування резонансу; пунктир
— типова частотна характеристика IM.
ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ІНДУКЦІЙНИХ МАГНІТОМЕТРІВ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 129
Н. Фельдкеллер [Кадинская, 1958] запропо-
нував найпоширеніший вираз, який дає досить
низьку похибку та який широко використову-
ють для практичних обчислень:
25N S l= . (4)
За даними рис. 2 можна визначити найниж-
чу межу μ для певного m, за яких μ не зміню-
ється у разі ймовірної зміні μ у широких межах
під впливом різних чинників [Bozorth, Chapin,
1942].
де Bs — індукція насичення матеріалу осердя;
δ — відносне допустиме значення зміни чут-
ливості за обертання осердя у зовнішньому
магнітному полі He max.
Цей вираз дійсний приблизно до μ He<Bs.
Обчислення показують, що значення δ змі-
нюється дуже різко, коли μ наближається до
1
maxc s eB H .
Таким чином, для рекомендованого значен-
ня m (50—100) за великого значення μ (понад
50 000) можна одержати значення μ до 2500 з
достатньо низькою чутливістю до змін μ (див.
рис. 2). Також помірна величина μ гарантує,
що осердя не буде намагнічуватись у постій-
ному магнітному полі Землі.
Наступним параметром, який впливає на
чутливість ІМ, є площа перерізу осердя S. Як
видно з формули (1), вибравши якомога більшу
S, здавалося б, можна підняти G. Проте, як по-
казано вище, відношення m l/d уже визначене
з інших міркувань, і збільшення S, або, що є
тим самим, d, зменшить пропорційно m, тоді μ
також зменшиться і зменшить ефект від збіль-
шення S. Отже, цей спосіб не є ефективним.
Ще одна можливість підвищити чутливість
за виразом (1) збільшенням кількості витків
котушки n також не дуже ефективна, тому що
збільшення призводить до підвищення актив-
ного опору обмотки, відповідно збільшуючи її
тепловий шум. Для компенсації цього небажа-
ного явища необхідно збільшити діаметр витка,
що зумовить зростання маси міді. Теоретичний
аналіз та експериментальна перевірка показу-
ють, що поріг чутливості ІМ WBM залежить від
маси котушки (міді), як [Вакульский и др., 1985]:
BM
c
KW
d M
= , (6)
де 8K kT f , а кількість витків вибирають
з умови оптимального узгодження котушки з
підсилювачем.
Розглянемо вплив способу нанесення об-
мотки на чутливість ІМ. Очевидно, що пере-
важно котушку не намотують безпосередньо
на осердя, для цього використовують спеціаль-
ну бобіну. Отже, обмотка, виконана на бобіні,
має внутрішній Di і зовнішній De діаметри, які
відповідають відношенню De>Di>d.
Відомо, що чим більша ця нерівність, тим
менша чутливість G [Вакульский и др., 1985].
Таким чином, можна стверджувати, що ве-
личина G обернено пропорційна середньому
діаметру котушки
2
e i
m
D D
D
+
= . Як показано в
Рис. 2. Залежність магнітної проникності циліндричного
осердя μc від магнітної проникності матеріалу μ і відношен-
ня довжини до діаметра стрижня m [Bozorth, Chapin, 1942].
Оскільки чим більша μ , тим вища чутли-
вість IM, рекомендується вибирати осердя
видовженої форми з m >50. Для цього слід ви-
бирати матеріал з μ >30 000, інакше її зміни мо-
жуть призвести до небажаної зміни чутливості.
Крім того, постійне магнітне поле Землі може
зумовити намагнічування осердя з великим m
та насичення матеріалу осердя з відповідним
зменшенням G та інших параметрів IM. Так,
для сильно видовжених осердь максимальне
значення магнітної проникності μ max, за якого
чутливість змінюється на величину, що не пе-
ревищує відносне допустиме значення δ під час
намагнічування осердя постійним магнітним
полем He max, можна обчислити за формулою
[Korepanov, Berkman, 1997]
max 2
max3 1 1 1
2
c
s
H
B
, (5)
В. О. ПРОНЕНКО, В. Є. КОРЕПАНОВ
130 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
монографії [Вакульский и др., 1985], величина
μ зменшується через відмінність діаметра вит-
ків котушки від діаметра осердя і пропорційна
3/2
c mD .
Також μ зменшується через те, що довжина
котушки ln завжди менша за довжину осердя l.
Параметр μ не є сталою величиною вздовж
осердя і досягає максимального значення μ
в центрі осердя, яку для поширення осердь у
вигляді призматичних стрижнів визначають,
як [Мизюк, 1964]:
( )21 0,974 ln 1 1
cc
S l
Sl
. (7)
Зазвичай котушка не розташована на всій
довжині осердя через те, що відносна вихід-
на напруга ІМ зменшується з ln / l 1 [Dehmel,
1989]. У загальному випадку рекомендується
таке співвідношення:
(0,5 0,7)nl l . (8)
З цієї точки зору, конструкцію котушки,
розташованої на всій довжині осердя, яка за-
пропонована в статті [Paperno, Grosz, 2009], на-
звати «оптимальною» дуже сумнівно. Відповід-
но, середнє значення магнітної проникності
осердя μ для котушки фіксованої довжини
ln дорівнює [Мизюк, 1964]:
2
1 0,255 n
cca cc
l
l
. (9)
Отже, на підставі наведеного вище можна
відповідним чином вибрати необхідні параме-
три осердя й котушки.
Методика проектування IM. Для відносно
вузькосмугових IM (fmax/fmin<1000) неважко ви-
значити параметри датчика, і прості наближен-
ня, подані в статтях [Coillot et al., 2007; Paperno,
Grosz, 2009], не приведуть до великої помилки:
реально досяжний рівень шуму близький до тео-
ретичного для заданих маси і розмірів датчика.
Для широкосмугових IM (fmax/fmin<1000)
пряме узгодження датчика з попереднім під-
силювачем неможливе через різну частотну
залежність вихідного імпедансу датчика та
оптимального опору джерела сигналу для під-
силювача. Розрахунок порогу чутливості IM
у широкій смузі за обмежень маси/габаритів
потребує одночасного врахування великої
кількості його параметрів (тільки для датчика
в літературі описано понад 30 геометричних і
електричних величин). До того ж, деякі з цих
параметрів взаємозалежні чи можуть бути ви-
брані з обмеженого діапазону. Ось чому, не-
зважаючи на нібито просте завдання, визна-
чення оптимального набору параметрів ІМ
розв’язанням системи рівнянь неможливе.
На практиці використовують такі способи
розрахунку широкосмугових ІМ:
1) усереднені параметри датчика й підсилю-
вача, необхідні для розрахунку, вибирають на
основі попередніх випробувань подібних при-
строїв, а потім шумові параметри розрахову-
ють для ряду можливих для певної конструкції
значень цих параметрів;
2) приймають рекомендовані в літературі
співвідношення між деякими усередненими
параметрами, необхідними для розрахунків,
виходячи із загальних міркувань.
У першому випадку досягнення оптималь-
ного набору параметрів не гарантується пере-
дусім тому, що варіанти вибирають довільно. У
другому випадку параметри вибрані частково
теж довільно, до того ж, використання відомих
рівнянь без урахування відповідних обмежень,
у межах яких вони були виведені, може дати
значні помилки.
Найчастіше оптимальну комбінацію дат-
чик—підсилювач знаходять за розрахунком
оптимальних параметрів датчика для ідеаль-
ного підсилювача, а потім узгоджують з ре-
альним підсилювачем за допомогою корекції
кількості витків датчика. Ця процедура дає не
оптимальну комбінацію, а поєднання двох від-
носних оптимумів, що, як правило, призводить
до некоректного результату, особливо в діапа-
зоні високих частот.
У публікаціях [Korepanov, Berkman, 1997;
Беркман, 1997] запропонований новий підхід
до оптимізації широкосмугового ІМ. Головна
особливість цього методу полягає у введенні
так званих узагальнених параметрів датчика,
значення яких можна розглядати як сталі для
певного матеріалу осердя.
Набір чотирьох основних і трьох додатко-
вих узагальнених параметрів наведено у таб-
лиці. Очевидно, що розкид параметрів KR, fF,
Qh і Q0 достатньо великий. Однак ці параметри
мають порівняно слабкий вплив на загальний
рівень шуму ІМ, до того ж лише в окремих час-
тинах діапазону частот.
Використання узагальнених параметрів дає
змогу подати всі параметри датчика у простому
і фізично ясному вигляді, наприклад:
2
SG K fl n= ; (10)
ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ІНДУКЦІЙНИХ МАГНІТОМЕТРІВ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 131
2
LL K ln= ; (11)
( )21 1R h FQ K fl Q f f= + + ; (12)
( )1/2
res ff K l n= ; (13)
22 R LR K K w l , (14)
де Q — сумарна добротність, що залежить від
втрат в осерді й котушці.
Слід зауважити, що вибір певної комбінації
узагальнених параметрів означає вибір матері-
алів і конструкції, яку визначають за співвідно-
шенням геометричних розмірів. Тому запропо-
нований метод розрахунку є особливо простим
і ефективним для визначення оптимальної дов-
жини і кількості витків геометрично подібних
ІМ.
Повернімося до підсилювача. Відомо, що
спектр його шумів характеризується вісьмо-
ма шумовими параметрами: мінімальна густи-
на шумів за напругою Wu0; частота перегину і
кут нахилу на низьких частотах fu1, αu; частота
перегину додаткового нахилу на наднизьких
частотах fu2; мінімальна густина шумів за стру-
мом Wi0; частота перегину і кут нахилу шумо-
вого струму на високих частотах fi1, α1; частота
перегину на низьких частотах fi2. Відповідно,
частотні залежності густин шумів за напругою
і струмом можуть бути розраховані за рівнян-
нями
( ) ( )20 1 21 u
uamp u u uW W f f f f= + + ; (15)
( ) ( )20 1 21 i
iamp u u iW W f f f f= + + . (16)
Маючи наведені вище залежності, мож-
на розрахувати оптимальну конструкцію ІМ.
Узагальнені параметри IM
Параметр Розмірність Фізичний зміст Попередня оцінка
KS В/(Tл·Гц·м2·виток) Чутливість ІМ завдовжки 1 м з n=1 на частоті
1 Гц за холостого ходу 1±20 %
KL Гн/(м·виток2) Індуктивність такого самого ІМ 2·10–7 ±25 %
Kf Гц/(м1/2·виток) Частота власного резонансу такого самого ІМ 4·107 ±25 %
KR Гц·м2 Частота, на якій індуктивний та активний опір
такого самого ІМ однакові 0,5±3,5
fF Гц Частота, на якій добротність, що визначається
струмами Фуко, дорівнює одиниці (5±500)·103
Qh — Добротність, що визначається втратами на
гістерезис в осерді 50±200
Q0 — Добротність на частоті резонансу, що
визначається втратами в паразитних ємностях 3±10
Рівняння для розрахунку частотного спектра
шумів магнітометра складемо, згідно з екві-
валентною схемою (рис. 3). Тут Ex — вихідна
ЕРС датчика; Ur — еквівалентна шумова на-
пруга активної частини імпедансу датчика (ак-
тивний опір — R; втрати на гістерезис — Rh;
втрати на вихрові струми — RF) з густиною
Wr kT(R+Rh+RF); Iro — шумовий струм втрат
(R0) в ємності C вимірювальної котушки з гус-
тиною WIr0; Ri — вхідний опір підсилювача (всі
опори вважаємо таким, що не шумлять); Un і
In — вхідні шумова напруга і струм підсилю-
вача з густинами Wuamp і Wiamp відповідно, які
характеризуються вищезгаданими вісьмома
параметрами.
Згідно з рис. 3, результуючу густину шумів
за напругою W, приведену до входу підсилюва-
ча, визначаємо, як
( )2 2 2
0Ur Uamp Iamp Ir UW W k W W W Z k= + + + , (17)
C
U
C L
Z
k
Z Z
=
+
— передавальна функція схе-
ми, де C L
C L
Z Z
Z
Z Z
=
+
— імпеданс датчика,
0
0 1C
R j C
Z
R j C
= , ZL R+Rh+RF+j L.
Використавши визначення для чутливості
датчика G=U0/He з (1), отримаємо рівняння для
загальної густини шумової потужності у вели-
чинах вимірюваного магнітного поля WB:
2 2B
U
WW
G k
= = (18)
( ) 2
02 2
1 Uamp
r Iamp Ir
U
W
W W W Z
G k
= + + + .
В. О. ПРОНЕНКО, В. Є. КОРЕПАНОВ
132 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
На підставі отримано-
го виразу (18) створено
розрахункову програму
із сервісною частиною,
яка дає змогу подати на-
бір РШ для ІМ у вигляді
таблиці або графіків, де
деякі параметри можуть
бути змінені. За такої мож-
ливості зміни параметрів
легко знайти комбінацію,
яка найістотніше впливає
на РШ у частині діапазону
частот, найважливішій для
споживача. Сервіс у межах
програми містить набір зна-
чень узагальнених парамет-
рів датчика для широкого
кола основних матеріалів
осердь і основних варіан-
тів конструкції; також збе-
рігаються вхідні параметри для різних типів
підсилювачів.
За врахування всіх основних параметрів
датчика й підсилювача висока точність оста-
точних результатів розрахунку гарантується.
Важливо, що в разі зміни конструктивних па-
раметрів датчика корекція відповідних змін у
спектрі шуму проводиться автоматично. При-
клад на рис. 4 ілюструє вплив зміни кількості
витків датчика на шумові параметри ІМ. До-
бре видно, що мінімум шуму зміщується в бік
низьких частот зі збільшенням кількості вит-
ків (графіки 1—3; W3 >W2 >W1). Коли оптимум
пройдений, рівень шуму збільшується на всіх
частотах (графік 4, W4 >W3).
Для оцінки мінімально можливого РШ за-
даної довжини осердя l може бути використана
напівемпірична формула [Korepanov, Berkman,
1999]:
( )1/25 2 5 4
0 1BeW h A l f B l f , (19)
де h ≈10–14Tл/Гц1/2; A ≈30 м5·Гц2; B ≈10–4 м5·Гц4.
Наводимо деякі коментарі до цього виразу.
По-перше, тут РШ розглянуто тільки відповід-
но до довжини осердя, що справедливе лише
для геометрично подібних ІМ. Вираз має сенс
лише для діапазону частот f >fresі діє для опти-
мізованого ІМ з осердям з високим μ. І, наре-
шті, другий доданок B/l5f 4 відображає додаткові
збільшення шуму підсилювача на інфранизь-
ких частотах і для сучасних підсилювачів за
схемою модулятор—демодулятор може бути
знехтуваним.
Рис. 5. Порівняння розрахункової (1) та експериментальної
(2) залежності РШ.
Рис. 3. Еквівалентна шумова схема IM.
Рис. 4. Вплив кількості витків на рівень власних шумів IM.
ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ІНДУКЦІЙНИХ МАГНІТОМЕТРІВ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 133
ційних магнітометрів, а також розглянуті осо-
бливості їх проектування.
Для запропонованої еквівалентної шумо-
вої схеми ІМ виведено рівняння для загальної
густини шумової потужності. Показано, що
отримання ІМ з низьким рівнем шуму по-
требує складної процедури розрахунку. Для
її спрощення розроблено метод узагальнених
параметрів, який дав змогу створити й запро-
понувати вітчизняним і закордонним геофізи-
кам широкий набір ІМ з оптимальним набором
параметрів.
Робота виконана за часткової підтримки
контракту 3165 з УНТЦ.
Для ілюстрації ефективності використан-
ня описаної методики розрахунку ІМ на рис. 5
порівняні розрахункова та експериментально
отримана залежності РШ від частоти для реаль-
ного ІМ типу LEMI-106. Як видно, збіг обох кри-
вих дуже добрий. За цією методикою у Львів-
ському центрі Інституту космічних досліджень
(ЛЦ ІКД) створений цілий ряд ІМ для діапазону
частот від 10–4 до 106 Гц з параметрами, рівень
яких не поступається кращим зразкам у світі
(детальнішу інформацію можна отримати на
сайті ЛЦ ІКД: www.isr.lvіv.ua).
Висновки. Описаний взаємний вплив кон-
структивних і електричних параметрів індук-
Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в метал-
лах. Ч. 1. — Москва: ОНТИ, 1935. — 53 с.
Беркман Р. Я. Широкополосные индукционные
магнитометры с минимальной массой // Тр. 5-го
Нац. симп. по магнитным измерениям, Кельце—
Борков, Польша, 22—24 окт. 1997. — С. 45—52.
Вaкульский Ф. Ф., Mизюк Л. Я., Праць Р. В., Сикачев-
ский Ю. Ю. Аппаратура для аэрогеофизической
разведки с магнитными и электромагнитными
информационными каналами. — Kиев: Наук.
думка, 1985. — 253 с.
Кадинская Л. К расчету магнитной проницаемости
сердечников для магнитомодуляционных датчи-
ков // Технический информационный бюллетень
геофизической аппаратуры. — Ленинград, 1958.
— С. 113—120.
Mизюк Л. Я. Первичные преобразователи для из-
мерения низкочастотных магнитных полей. —
Kиев: Наук. думка, 1964. — 168 с.
Bozorth R. M., Chapin D. M. Demagnetization factors of
rods // J. Appl. Phys. — 1942. — 13. — Р. 320—326.
Coillot C., Montoussamy J., Leroy P., Chanteur G.,
Roux A. Improvements on the design of search coil
Список літератури
magnetometer for space experiments // Sensors Lett.
— 2007. — 5. — Р. 167—170.
Dehmel G. Magnetic field sensors — induction coil
(search coil) sensors. Ch. 6 // Sensors — a compre-
hensive survey. — VCH Publ., 1989. — Р. 205—254.
Korepanov V., Berkman R. New approach to the exact
design of low noise search-coil magnetometers //
Proc. of XIV IMEKO Word Congr. New measure-
ments — challenges and visions. — Tampere, Fin-
land, 1997. — IVA Topic 4. — Р. 103—108.
Korepanov V., Berkman R. Comparison of magnetom-
eters efficiency for ELF band. Measurement’99 //
Proc. the 2nd Int. conf. of measurement, Smolenice,
Slovac Republic. Apr. 26—29, 1999. — Smolеnice,
1999. — P. 195—198.
Paperno E., Grosz A. A miniature and ultralow power
search coil optimized for a 20 mHz to 2 kHz frequen-
cy range // J. Appl. Phys. — 2009. — 105. — 07E708.
Ripka P. Induction Sensors. Ch. 2 // Magnetic sensors
and Magnetometers. — Artech House, 2001. —
Р. 47—74.
Tumanski S. Induction coil sensors — a review // Meas.
Sci. Techn. — 2007. — 18. — Р. 31—46.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-97100 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3100 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:11:43Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Проненко, В.О. Корепанов, В.Є. 2016-03-25T14:44:00Z 2016-03-25T14:44:00Z 2011 Особливості проектування індукційних магнітометрів / В.О. Проненко, В.Є. Корепанов // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 127-133. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97100 621.317.421 Индукционные магнитометры (ИM) широко используются во многих отраслях науки и промышленности, в том числе в полевой геофизике. Частотный и динамический диапазоны ИМ, по всей вероятности, наиболее широкие из всех существующих магнитометров: они используются для измерения изменений магнитного поля в диапазоне частот от ~10⁻⁴ до ~10⁶ Гц с индукцией от долей фемтотесла до десятков тесла. Это объясняет постоянный интерес к попыткам создания ИМ с наилучшими параметрами. Настоящая работа посвящена особенностям построения ИМ с оптимальным набором параметров. Induction or search-coil magnetometers (IM) are widely used in many branches of science and industry, including field geophysics. The frequency range and dynamic range of IM are probably the widest of all existing magnetometers: they are used for the measurement of magnetic field variations in the frequency band from ~10⁻⁴ till ~10⁶ Hz with the intensities from fractions of femtotesla till tens of tesla. This explains the permanent interest to IM design and the attempts to construct the IMs with the best possible parameters. The IM with optimal parameters set design peculiarities are described. Робота виконана за часткової підтримки контракту 3165 з УНТЦ uk Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Особливості проектування індукційних магнітометрів Special features of induction magnitometers designing Особенности проектирования индукционных магнитометров Article published earlier |
| spellingShingle | Особливості проектування індукційних магнітометрів Проненко, В.О. Корепанов, В.Є. |
| title | Особливості проектування індукційних магнітометрів |
| title_alt | Special features of induction magnitometers designing Особенности проектирования индукционных магнитометров |
| title_full | Особливості проектування індукційних магнітометрів |
| title_fullStr | Особливості проектування індукційних магнітометрів |
| title_full_unstemmed | Особливості проектування індукційних магнітометрів |
| title_short | Особливості проектування індукційних магнітометрів |
| title_sort | особливості проектування індукційних магнітометрів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97100 |
| work_keys_str_mv | AT pronenkovo osoblivostíproektuvannâíndukcíinihmagnítometrív AT korepanovvê osoblivostíproektuvannâíndukcíinihmagnítometrív AT pronenkovo specialfeaturesofinductionmagnitometersdesigning AT korepanovvê specialfeaturesofinductionmagnitometersdesigning AT pronenkovo osobennostiproektirovaniâindukcionnyhmagnitometrov AT korepanovvê osobennostiproektirovaniâindukcionnyhmagnitometrov |